KR0151009B1 - X-y 테이블용 위치검출장치 - Google Patents

Abstract

균일 평면을 가지는 고정자와, 이 고정자에 설치되어 선형 운동력을 제공하는 선형스텝핑모터와, 고정자의 평면상에 위치되어 선형스텝핑모터에 의해 구동되는 인덕터를 구비한 X-Y테이블에 채용되어서 인덕터의 구동 위치를 검출할 수 있도록 된 X-Y테이블용 위치검출장치가 개시되어 있다.

이 개시된 위치검출장치는 고정자 상부에 광을 조사하는 광원과; 인덕터의 일측에 마련되어 광원으로부터 입사된 광의 일부를 반사시키는 복수개의 미러 조합으로 이루어진 엔코딩글래스와; 고정자에 설치되며, 엔코딩글래스에서 반사된 광을 일부 통과시키는 포토글래스와; 고정자에 설치되며, 포토글래스를 통과한 광을 수광하여 고정자에 대한 인덕터의 구동위치를 검출하는 광검출기;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

X-Y테이블용 위치검출장치

제1도는 종래의 레이저 간섭계를 이용하여 위치를 검출할 수 있도록 된 구조의 X-Y테이블을 나타낸 사시도.

제2도는 본 발명에 따른 위치검출장치를 설명하기 위해 나타낸 X-Y테이블의 개략적인 사시도.

제3도는 제2도의 엔코딩글래스를 나타낸 확대 단면도.

제4도는 제2도의 수광부를 나타낸 확대 단면도.

제5도는 인덕터의 일 특정 위치에서의 엔코딩글래스와 각 분할판의 스트라이프형 미러를 통과 또는 반사한 광의 광량분포를 나타낸 개략도.

제6도는 인덕터의 다른 특정 위치에서의 엔코딩글래스와 각 분할판의 스트라이프형 미러를 통과 또는 반사한 광의 광량분포를 나타낸 개략도.

제7도는 인덕터의 위치변화에 따른 각 광검출기에서 수광된 광량분포를 나타낸 그래프.

제8도는 수광된 특정 위상차를 보이는 광을 차동하여 검출한 광량분포를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21 : 고정자 22 : 인덕터

30 : 위치검출장치 31 : 엔코딩글래스

33 : 제1광검출수단 34 : 제2광검출수단

35 : 제1스트라이프형 미러 40 : 포토글래스

45 : 제2스트라이프형 미러

본 발명은 선형스텝핑모터(LSM:Linear Stepping Motor)에 의하여 평면상에서 X축 및 Y축 방향으로 동시 이송이 가능한 X-Y테이블의 실제 이송거리를 측정할 수 있도록 된 X-Y테이블용 위치검출장치에 관한 것이다.

일반적으로, 선형스텝핑모터(LSM:linear stepping motor)에 이하여 인덕터( inductor)를 평면구동하는 X-Y테이블의 경우 한 평면상에서 X좌표 방향과 Y좌표 방향으로 이송이 이루어지므로 이로부터 실제 이송거리에 대한 정보를 피드백(feed back) 받기가 어려웠다. 따라서, 이 선형스텝핑모터는 실제 이송거리에 대한 정보를 피드백 받지 않는 개방루프(open loop)제어에 많이 사용되었다.

제1도는 종래의 레이저 간섭계를 이용하여 위치를 검출할 수 있도록된 구조의 X-Y테이블을 나타낸 사시도이다. 이 도면을 참조하여 제품공정을 수행하기 위하여 채용된 X-Y테이블용 위치검출장치의 일 예를 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, X-Y테이블은 제품의 자동 공정을 위하여 대상물을 이차원으로 움직이기 위한 시스템은 평면운동력을 제공하는 선형스텝핑모터(미도시)와, 이 선형스텝핑모터에 의하여 일 평면상에서 이차원 운동을 하는 인덕터(11)와, 이 인덕터(11)가 평행을 유지하며 운동하도록 그 하부에서 지지해주는 고정자(13)로 이루어져 있다. 상기 인덕터(11)의 X축 방향으로 움직임을 감지하기 위한 수단으로 X축방향에 수직한 일측부에 제1미러블럭(15)이 마련되어 있다. 또한, 상기 인덕터(11)의 Y축 방향의 움직임을 감지하기 위한 수단으로 Y축 방향에 수직한 일측부에 제2미러블럭(16)이 마련되어 있다. 상기 제1및 제2미러블록(15,16)은 그 미러면에 입사되는 광선을 전반사 시키는 특성이 있으며, 특히 그 미러면에 대하여 수직으로 입사된 광은 동일 경로로 반사시킨다. 또한, 상기 제1및 제2미러블록(15,16)에 일정한 파장의 광을 조사하는 조사수단과 반사된 광을 수광하는 수광수단을 포함하는 레이저 간섭계(17,18)가 구비된다. 이 레이저 간섭계는 상기 제1미러브록(15)에 광을 조사 및 반사된 광을 수광하여 X축 방향의 거리변화를 감지하는 제1레이저 간섭계(17)와, 상기 제2미러블록(16)의 광을 조사하고 그 미러면에서 반사된 광을 수광하여 상기 인덕터(11)의 Y축 방향의 변위를 감지하는 제2레이저 간섭계(18)로 이루어진다. 이와 같이 레이저 간섭계를 이용한 위치검출장치는 그 측정 정밀도는 뛰어나지만 장비가 고가이고, 이를 인터페이스하기 위한 복잡한 회로를 필요로 한다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 높은 위치정밀도를 가지면서 그 구성이 대폭 단순화된 구조의 X-Y테이블용 위치검출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 균일 평면을 가지는 고정자와, 이 고정자에 설치되어 선형 운동력을 제공하는 선형스텝핑모터와, 상기 고정자의 평면상에 위치되어 상기 선형스텝핑모터에 의해 구동되는 인덕터를 구비한 X-Y테이블에 채용되어 상기 인덕터의 구동 위치를 검출할 수 있도록 된 X-Y테이블 위치검출장치에 있어서, 상기 고정자 상부에 위치되며 광을 조사하는 광원과; 상기 인덕터의 일측에 마련되어 상기 광원으로부터 입사된 광의 일부를 반사시키는 복수개의 미러 조합으로 이루어진 엔코딩글래스와; 상기 고정자에 설치되며, 상기 엔코딩글래스에서 반사된 광을 일부 통과시키는 포토글래스와; 상기 고정자에 설치되며, 상기 포토글래스를 투과한 광을 수광하여 상기 고정자에 대한 상기 인덕터의 구동위치를 검출하는 광검출기;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명에 따른 X-Y테이블용 위치검출장치를 설명하기 위하여 나타낸 X-Y테이블의 사시도이다.

도시된 바와 같이, X-Y테이블은 적어도 하나의 균일한 평면을 가지는 고정자(21)와, 이 고정자(21)에 설치되어 선형 운동력을 제공하는 선형스텝핑모터(21)와, 이 상기 고정자(21)의 평면상에 위치되며, 상기 선형스텝핑모터에 의해 구동되는 인덕터(22)를 포함한다. 또한, 상기 선형스텝핑모터의 구동에 따라서 변위된 인덕터(22)의 위치를 검출할 수 있도록 된 위치검출장치(30)를 포함한다.

상기 위치검출장치(30)는 상기 고정자(21)의 상부에 위치되고 광을 발생하는 광원(미도시)과, 상기 인덕터(22)의 일측에 마련되어 상기 광원으로부터 입사된 광의 일부를 반사시키는 복수의 미러조합으로 이루어진 엔코딩글래스(31)와, 이 엔코딩글래스(31)에서 반사된 광을 수광하는 제1 및 제2광검출수단(33,34)을 포함한다.

제3도 또는 제4도를 통하여 상기한 위치검출장치(30)를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 제3도는 제2도에서 설명한 엔코딩글래스(31)를 나타낸 평면도이다. 도시한 바와 같이 그 표면에 입사되는 광을 전반사시키도록 된 복수개의 제1스트라이프(stripe)형 미러(35)가 마련되어 있다. 이 제1스트라이프형 미러들(35)은 소정 간격 이격된 채로 나란하게 배치되어 있다. 특히, 그 나란한 방향은 제2도에 임의로 표시한 X축과 Y축방향에 대하여 각각 평행하도록 상기 제1광검출수단(33)의 상부에 위치한 미러들은 X축 방향에 대하여 수직방향으로 소정 간격 이격되어 배치되어 있고, 상기 제2광검출수단(34)의 상부에 위치한 미러들은 Y축 방향에 대하여 수직방향으로 소정 간격 이격되어 배치되어 있다. 따라서, 이 엔코딩글래스(31)에 입사되는 광량과 그 광의 방향이 일정하더라도, 상기 미러들의 위치의 변위에 따라 전반사되는 광량이 변하게 된다.

제4도의 (a)(b)는 제3도에서 설명한 미러들에 의하여 반사된 광을 검출하기 위한 수광부를 나타낸 평면도이다.

이 제1 및 제2광검출수단(33,34) 각각은 상기 엔코딩글래스(31)에서 반사되어 입사되는 광을 수광하여 비교함으로써 위치를 검출할 수 있도록 복수개의 분할판을 가지는 포토글래스(40)와, 광검출기(미도시)를 포함한다.

이 분할판을 각각 제4도의 (b)에 표시된 바와 같이 제1, 제2, 제3 및 제4분할판(41, 42, 43, 44)으로 지칭하고, 각 분할판의 구조 및 형상을 설명하면 다음과 같다. 이 분할판들이 형성된 포토글래스(40)의 일측에는 방향이 일정하게 결합되도록 표시홈(46)을 형성하였다. 상기 분할판(41, 42, 43, 44) 각각에는 수광된 광량을 검출할 수 있도록 각각 독립적으로 광전변환하는 제1 내지 제4광검출기가 결합되어 있으며, 이 광검출기에 입사되는 광량은 후술하는 바와 같다.

상기 포토글래스(40)를 이루는 각각의 분할판에는 복수개의 스트라이프형 미러(45)가 소정 간격 이격되어 일 방향으로 나란하게 배치되어 있다. 상기 제1분할판(41) 내지 제4분할판(44) 중 어느 한 분할판의 상기 스트라이프형 미러(45)들 사이의 간격은 일정하고, 또한, 그 크기와 형상도 일정하다. 각 미러의 일 측면에서 이웃한 미러의 동일측면까지의 간격은 1P라 할 때 본 실시예에서는 상기 미러의 폭을 0.3P로 하고, 미러들 사이의 간격을 0.7P로 하였다. 상기 제1분할판(41)과 상기 제2분할판(42)의 이웃하는 제2스트라이프형 미러(45) 사이의 간격은 상기에서 설명한 분할판 내의 미러 사이 간격과 다르게 0.25P로 하였다. 또한, 상기 제1분할판(41)과 상기 제3분할판(43)의 스트라이프형 미러들도 그 나란한 방향에 대하여 0.5P의 간격만큼 어긋나 있다. 여기서, 상기 제3분할판(43)과 상기 제4분할판(44)의 인접한 미러 사이의 간격은 상기 제1분할판(41)과 상기 제2분할판(42)의 인접한 미러 사이의 간격에 대응되게 기본적으로 0.25P만큼 이격시키고, 설계상의 문제점을 해결하기 위하여 정확히 한 주기인 1P만큼 더 이격시켰다. 물론 수광되는 광을 반사하여 상기 광검출기에 미치지 못하도록 하는 미러들의 각 분할판에 배치된 개수는 일정하다. 상기 스트라프형 미러들(45) 사이의 간격을 상기와 같이 설정함으로써 상기한 제1 내지 제2광검출수단(33,34)에 수광되는 광량을 차별화하여 상기 선형스텝핑모터에 의한 상기 인덕터(22)의 위치를 검출할 수 있다.

상기 설정된 간격을 이용한 위치검출장치의 위치검출구조에 대하여 제5도 내지 제8도를 통하여 설명하면 다음과 같다. 제5도 내지 제8도는 일 특정 위치에 상기 인덕터(22)가 위치한 경우의 X방향에 대한 위치를 검출하는 제2광검출수단(34)을 예로 들어 나타낸 것이다.

제5도는 상기 제1분할판(41) 내지 제4분할판(44)을 투과한 광량을 나타낸 개략도이다.

엔코딩글래스들(31)은 그 폭이 0.5P이고, 그 사이의 간격이 0.5P로 균일하다. 이 엔코딩글래스(31)에 대하여 법선방향으로 입사되는 모든광은 입사 경로와 동일 경로로 반사되며 각 글래스 사이로 입사되는 광은 투과한다. 광원에서 조사되어 상기 엔코딩글래스(31)에 입사되기 전의 모든 광은 각 분할판에 마련된 스트라이프형 미러(45)에 의하여 반사되고 이 미러들 사이의 공간을 투과한 광만이 상기 엔코딩글래스(31)로 향한다. 물론 엔코딩글래스(31)는 등간격으로 배치되어 있고, 이곳에 입사되는 광중 제1스트라이프형 미러(35)들 사이에 입사되는 광은 투과하고, 미러면에 입사되는 광은 전반사된다. 이 전반사되는 광은 상기 각각의 분할판을 통하여 각 분할판에 결합되어 수광된 광량을 검출하는 광검출기들로 입사된다. 이 광검출기에 입사된 광량을 분석함으로써 상기 엔코딩글래스(31)의 위치를 알 수 있는데 이 주기가 1P이므로 상기 엔코딩글래스(31)가 1P만큼 변위된 경우 검출된 광량은 일정하다. 물론 상기 엔코딩글래스(31)는 두 축방향 즉, X축과 Y축에 대하여 설치되어 있으므로, 평면으로의 변위를 검출할 수 있다. 상기 각 분할판 내부 및 이웃한 분할판 사이의 제2스트라이프형 미러(45)들의 사이 간격과 수광되는 광량의 관계를 살펴보면 다음과 같다. 각 분할판 내부의 제2스트라이프형 미러(45)들의 사이 간격은 0.7P이며, 상기 미러의 폭은 0.3P이다. 또한, 이 폭방향으로 인접한 미러 사이의 간격은 0.25P 또는 주기 1P의 정수배 더하기 0.25P이며, 제1분할판(41)과 제3분할판(43) 그리고 제2분할판(42)과 제4분할판(44)의 미러는 0.5P의 변위를 가진다. 따라서, 도시된 바와 같이 상기 제1분할판(41)의 각 미러의 일 측면이 상기 엔코딩글래스(31)의 동일 측면과 동일 광경로 상에 위치하며, 상기 광원에서 조사된 광은 상기 미러들 사이의 0.7P를 통하여 상기 엔코딩글래스(31)로 조사된다. 상기 엔코딩글래스(31) 각각의 폭은 0.5P이므로 상기에서 언급한 측면에서 0.3P이 지점에서 타측면까지의 간격 0.2P에서 반사가 일어나고, 나머지 0.5P의 간격에서 입사된 광은 상기 엔코딩글래스(31)에서 모두 투과한다. 물론, 상기 엔코딩글래스(31)의 간격 주기와 상기 제2스트라이프형 미러(45)의 간격 주기는 동일하므로, 상기 미러의 각 사이 간격을 통하여 반사된 광은 동일하며, 이 광량들의 합이 제1광검출기 수광되고 전기적신호로 변환된다. 이와 동시에 상기 제2분할판(42)에 형성된 제2스트라이프형 미러(45)를 통하여도 상기 엔코딩글래스(31)에 광이 조사되는데 이 제2스트라이프형 미러(45)의 배치는 상기 제1분할판(41)의 인접한 제2스트라이프형 미러(45)와 0.25P의 간격을 가진다. 따라서, 이 미러들 사이의 0.7P의 간격을 통과하는 광은 0.25P만큼의 간격차에 의하여 처음 0.45P 간격을 통과한 광은 상기 엔코딩글래스(31)의 사이에 입사되므로 그대로 통과하고, 나머지 0.25P의 간격을 통과한 광은 상기 엔코딩글래스(31)에서 반사되어 상기 제2광검출기에 수광된다. 상기 제1분할판(41)을 통과한 광량과, 상기 제2분할판(42)을 통과한 광량을 비교하기 위하여 간격 1P를 통하여 수광된 광량만을 비교하여 보면, 상기 제1분할판(41)을 투과하여 수광된 광량은 간격 0.2P를 통하여 수광된 량이고 상기 제2분할판(42)을 투과하여 수광된 광량은 간격 0.25P를 통하여 수광된 량이다. 이와 동시에 상기 제3분할판(43)과 상기 제4분할판(44)에서도 광을 수광하게 되는데, 제3분할판(43) 상의 제2스트라이프형 미러(45)는 상기 제1분할판(41) 상의 제2스트라이프형 미러(45)에 대하여 0.5P만큼의 위치 차를 가짐으로 0.7P의 간격을 통하여 출사한 광중에서 처음 0.2P 사이를 통과한 광은 상기 엔코딩글래스(31) 사이를 통과하고 나중 0.5P 사이를 통과한 광은 상기 엔코딩글래스(31)에 의하여 반사된 후 상기 제3광검출기에 수광된다. 또한, 제4분할판(44) 상의 제2스트라이프형 미러(45)는 상기 제2분할판(42) 상의 제2스트라이프형 미러(45)에 대하여 0.5P 만큼의 위치 차를 가지므로 처음 0.5P 사이를 통과한 광은 전반사되어 그 하단에 위치된 제4광검출기에 수광되고 나중 0.2P 사이를 통과한 광은 상기 엔코딩글래스(31) 사이를 통과한다. 각각의 광검출기들을 통하여 수광되는 광량의 분포가 상기한 바와 같은 경우 상기 엔코딩글래스(31)의 주기가 1P이하에서는 오직 하나이다.

상기 엔코딩글래스(31)의 주기 1P를 20㎛로 할 경우 위치검출 정밀도를 1㎛로 할 수 있다. 물론 상기 엔코딩글래스(31)의 주기는 필요에 따라 바꿀 수 있으며, 분할판 내에 엔코딩글래스(31)의 배열을 다양화함으로써 제5도 및 제6도에 도시한 바와 다른 형태로 각 위치에 따른 수광량을 달리할 수 있다.

제7도는 분할판에서 반사되어 수광부에 광량분포를 나타낸 그래프이다.

제5도와 제6도에서 언급한 바를 그래프로 도시한 경우는 톱니파 형상을 하게 되는데 그 피치(P) 사이의 간격이 마이크로미터 단위를 가지므로, 도면과 같이 각 분할판에서 수광된 광량은 위상이 각각 0°, 90°, 180° 그리고 270° 차이가 있는 정현파로 도시가 가능하다.

도면부호 51, 52, 53, 54 각각은 상기한 제1 내지 제4광검출기에서 독립적으로 검출된 정현파를 나타낸 그래프이다.

이 4개의 정현파를 그대로 이용하여 위치를 검출하는 경우 수광되는 광량의 변화에 대응하는 저항의 증가와 엔코딩글래스(31) 사이의 간격에 의한 혼용의 우려가 있으므로, 위상차가 180°나는 제1분할판(41)과 제3분할판(43), 그리고 제2분할판(42)과 제4분할판(44)에서 수광된 광량을 결합하여 제8도에 도시된 그래프와 같은 수광량 곡선을 얻음으로써, 위치검출의 정확도를 높일 수 있다.

상기한 바와 같이 구성된 X-Y테이블용 위치검출장치는 수광된 광량을 이용하여 선형스텝핑모터의 회전속도를 감지 및 인덕터의 위치를 마이크로미터 단위까지 정확히 파악할 수 있을 뿐만 아니라, 구조가 복잡하고 고가인 레이저 간섭계와 같은 위치검출 장비를 배제하여 이 레이저 간섭계에 의한 폐루프 제어에 비하여 약 20배 정도의 가격을 절감할 수 있고, 그 구성을 단순화할 수 있다.

Claims (3)

1. 균일 평면을 가지는 고정자와, 이 고정자에 설치되어 선형운동력을 제공하는 선형스텝핑모터와, 상기 고정자의 평면상에 위치되어 상기 선형스텝핑모터에 의해 구동되는 인덕터를 구비한 X-Y테이블에 채용되어 상기 인덕터의 구동 위치를 검출할 수 있도록 된 X-Y테이블용 위치검출장치에 있어서, 상기 고정자 상부에 위치되며 광을 조사하는 광원과; 상기 인덕터의 일측에 마련되어 상기 광원으로부터 입사된 광의 일부를 반사시키는 복수개의 미러 조합으로 이루어진 엔코딩글래스와; 상기 고정자에 설치되며, 상기 엔코딩글래스에서 반사된 광을 일부 통과시키는 포토글래스와; 상기 고정자에 설치되며, 상기 포토글래스를 투과한 광을 수광하여 상기 고정자에 대한 상기 인덕터의 구동위치를 검출하는 광검출기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 X-Y테이블 위치검출장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 포토글래스는 복수개의 분할판으로 이루어지고, 이 복수개의 분할판 각각은 입사되는 광의 일부를 반사하도록 소정 간격을 가지고 나열된 복수개의 스트라이프형 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 X-Y테이블용 위치검출장치.
3. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 포토글래스를 이루는 분할판이 4분할되고, 이 분할판 각각을 통과한 후 상기 광검출기에 수광되는 광량의 시간에 따른 변화율이 각각 90도의 위상차를 보이는 것을 특징으로 하는 X-Y테이블용 위치검출장치.